蛇形管組管子應力分析及固定方式優化

金 姍,臧平偉

1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室,四川 成都 611731

2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司,四川 自貢 643001

0 引言

某順酐裝置采用正丁烷法制順酐,其生產工藝流程為：原料混合氣在反應器中,經過催化劑的作用生成順酐。高溫酐氣先經過氣體冷卻器降溫,再經過冷卻形成粗酐液體,最后經過后續精制系統,獲得產品精酐。在此項目中,氣體冷卻器采用兩級組合式冷卻器,結構上與煙道式余熱鍋爐類似,冷卻器整體為箱型立式一體化換熱裝置,反應氣通道為矩形截面,內部布置兩級冷卻受熱面：一級冷卻器、二級冷卻器。上述兩級冷卻器在箱型一體式換熱裝置內自下而上布置,各級冷卻器換熱管均為光管式蛇形管組。對于蛇形管的固定支撐方式,有文獻設置為管與管之間為固定卡塊,支撐板支撐在前后墻上[1],但是該支撐結構易造成運行中受力過載,使過熱器變形嚴重,進而撕裂。本文對蛇形管組的原固定支撐方式進行了改進,針對原固定方式和新型固定支撐方式,用Pipepak軟件對不同固定支撐方式下的管道分別進行應力計算,對計算結果進行分析,在項目中選用新型固定支撐方式——吊掛式。該固定方式能夠有效減小管道的應力,保證設備和系統安全穩定地運行。

1 蛇形管在冷卻器中的運行條件

1.1 運行條件及管道規格

本文以某順酐裝置為依托進行研究,其中氣體冷卻器采用兩級組合式冷卻器,440 ℃反應氣自組合式冷卻器底部進入,依次經過一級和二級冷卻器的蛇形管組,初步冷卻后的反應氣進入到后續冷卻工序,鍋爐給水通過連接管進入集箱再分配給各蛇形管,與高溫反應器進行換熱,其中本文計算的二級冷卻器蛇形管,循環水受熱后變成氣水混合物通過上集箱、上升管引至汽包進行氣水分離,分離出的水繼續參與循環,飽和蒸汽通過蒸汽引出管通往界區。蛇形管的主要技術參數見表1。

表1 蛇形管運行技術參數

連接管中設置有彎頭標準件,其尺寸按標準GB/T 12459—2017[2]進行選取。

1.2 蛇形管組的布置

蛇形管組通過上集箱與下集箱連接,由多組蛇形管組組成,2種蛇形管組交替布置,每組蛇形管組由多條水路管道排布組成,單組蛇形管組布置見圖1。

圖1 蛇形管組布置

2 蛇形管組的2種固定支撐方式

對于此種蛇形管管屏,本文中選用了2種固定支撐方式進行比較,2種固定支撐方式不同,應力計算的邊界條件則不相同。同樣選取最外側一個蛇形管為例,進行不同邊界條件的選取。

2.1 第1種固定支撐方式

第1種蛇形管屏的固定支撐方式為在相鄰管道之間設置固定卡塊,在蛇形管的彎管與外壁之間設置支撐裝置(A2、A3處),蛇形管組的重量載荷利用2處固定點傳遞到殼體外壁上,本文稱之為“掛壁式”,見圖2。

2.2 第2種固定支撐方式

第2種蛇形管屏的固定支撐方式為每個管屏設置2個管夾,管夾整體吊掛在殼體頂部,與殼體外壁不進行接觸,稱為“吊掛式”,見圖3。

圖3 “吊掛式”蛇形管組固定支撐方式

2.3 應力計算臨界點設置

同樣對于最外側一條管道,圖2和圖3中所示虛線管道,對于不同的2種固定支撐方式,應力計算時選用的臨界點也不一樣。

2.3.1 “掛壁式”固定支撐方式

“掛壁式”固定支撐方式主要有4個關鍵點,分別設置為A1、A2、A3、A4,此4個固定點隨著溫度的變化,與殼體一起進行熱膨脹,計算出熱位移見表2,其中x方向為向右,y方向為向上,z方向為垂直于紙面向外。

表2 “掛壁式”固定支撐關鍵點熱位移 單位：mm

管屏上的管夾處,受到整個管屏的重力。計算得出每個管夾節點處受力為951 N,方向為-y方向。

2.3.2 “吊掛式”固定支撐方式

“吊掛式”固定支撐方式主要有7個關鍵點,分別設置為A1～A7,此7個固定點隨著溫度的升高,與殼體一起進行熱膨脹,計算出熱位移見表3。其中x方向為向右,y方向為向上,z方向為垂直于紙面向外。

表3 “吊掛式”固定支撐關鍵點熱位移 單位：mm

3 應力計算結果分析

用PipePak應力計算軟件對2種固定支撐方式的蛇形管道分別進行應力計算。該計算軟件操作方便、界面簡潔、適用于多種行業,計算快速、結果可靠,是應用較廣泛的管道應力分析軟件之一。軟件基于一系列管道設計標準,其中包括：ASME B31.1[3],ASME B31.3[4],ASME B31.4[5],ASME B31.8[6]等。在軟件中建立2種布置管道模型,輸入管道計算條件,進行計算分析。

管道的應力種類分為一次應力、二次應力、峰值應力。一次應力是指因壓力或重力等外加載荷而產生的應力;二次應力是指管道由于受到溫度變化產生的熱脹冷縮或者其他位移受到約束而發生的應力;峰值應力指管道局部熱應力或者局部結構不連續產生的共同影響疊加到一次應力和二次應力之上的應力增量。本計算模型中,管道的材料、規格都相同,從計算結果看,2種固定支撐不同的管道的差異較大的為一次應力,所以針對一次應力計算結果進行分析。

3.1 “掛壁式”固定支撐方式的蛇形管應力計算結果

“掛壁式”固定支撐方式的蛇形管應力計算結果見圖4,計算結果顯示,應力最大點為圖4中Max處。

圖4 “掛壁式”固定支撐方式的蛇形管應力計算結果

整個蛇形管依靠A2、A3兩點掛在外部殼體上,由于受到管道自身重力的原因,遠離固定點位置彎頭處的管道變形量非常大,如圖5所示：Max處-y方向出現較大的變形量,導致圖4中Max點處有較大的應力,應力比超過了標準4.578倍,管系應力計算不合格,所以此種固定方式是不可行的。在運行過程中,管系受到較大的應力,易產生故障,且較大的變形量會使管道與其周邊的其他零件產生碰撞,降低系統運行的穩定性。

圖5 “掛壁式”固定支撐方式的蛇形管應力變形

3.2 “吊掛式”固定支撐方式的蛇形管應力計算結果

“吊掛式”固定支撐方式的蛇形管應力計算結果見圖6,整個蛇形管通過A2～A6吊掛在殼體頂部,此種吊掛結構,對于管系的變形量得到了很好的控制(見圖7),變形量非常小,所以整個管系的應力水平也明顯減小,根據結果可以得出管道應力百分比為18.8%,滿足強度要求,管系應力合格,且應力變形情況滿足蛇形管的空間要求,避免與周圍其他零件產生碰撞,使系統運行更加穩定和安全。

圖6 “吊掛式”固定支撐方式的蛇形管應力計算結果

圖7 “吊掛式”固定支撐方式的蛇形管應力變形

4 結論

根據對2種不同固定支撐方式的蛇形管的應力計算結果可以看出,“吊掛式”固定支撐方式是比較可靠的?！暗鯍焓健钡膽ψ冃瘟孔畲笾挥?.5 mm,而“掛壁式”的應力變形量達到36.5 mm,不管是管系的應力比還是變形量,“吊掛式”都是優選。在較早項目中,使用“掛壁式”固定方式,已經發生管系變形、蛇形管組出現故障的事件。對于本順酐項目,利用“吊掛式”蛇形管的固定支撐方式,對設備的穩定和安全,能夠起到重要作用。后續可根據上述計算結論,選取“吊掛式”固定支撐方式,保證項目結構的穩定性和可用性。